W celu monitorowania stanu maszyn tłokowych, znanych również jako sprężarki tłokowe, przez długi czas stosowano tradycyjne metody pomiaru drgań. Stało się jednak jasne, że pomiary te nie są wiarygodne w kontekście monitorowania stanu takich maszyn. W związku z tym opracowano techniki, które są specjalnie dostosowane do monitorowania maszyn tłokowych. Jedną z tych technik jest monitorowanie opadania tłoczyska, polegające na obserwacji opadania tłoczyska w wyniku zużycia pierścieni prowadzących. Pierścień ślizgowy to element, który umożliwia tłokowi przesuwanie się w komorze cylindra bez uszkadzania ścianki cylindra. Z upływem czasu pierścienie te ulegają zużyciu. Dzięki monitorowaniu opadania tłoczyska można określić, kiedy pierścień ślizgowy wymaga wymiany, zanim dojdzie do uszkodzenia. Monitorowanie opadania tłoczyska stanowi element strategii konserwacji opartej na stanie technicznym (CBM) lub konserwacji predykcyjnej.
Pomiary opadania pręta
Monitorowanie opadania tłoczyska stosuje się w maszynach tłokowych, które wykorzystują pierścienie prowadzące do podtrzymywania tłoka wewnątrz cylindra. Celem monitorowania opadania tłoczyska jest określenie stopnia zużycia pierścieni prowadzących. Zużycie tych opasek może prowadzić do kontaktu (tarcia) między tłokiem a ścianką cylindra, co z kolei prowadzi do uszkodzeń. Monitorowanie zużycia opasek pozwala operatorom efektywnie zaplanować ich wymianę podczas już zaplanowanego przestoju lub przerwy eksploatacyjnej. Ponadto wczesne wykrycie zużycia opasek daje operatorowi czas na wyłączenie maszyny, zanim dojdzie do nadmiernych uszkodzeń i (niebezpiecznych) awarii maszyny.
Aby wykryć zużycie pasów nośnych, należy monitorować położenie tłoka (w stosunku do punktu odniesienia). Jednak pomiar rzeczywistego opadania tłoka jest bardzo trudny ze względu na wysokie ciśnienie w komorze ciśnieniowej. Zamiast mierzyć rzeczywiste opadanie tłoka, mierzy się opadanie tłoczyska, co jest znacznie łatwiejsze do wykonania. Monitorowanie opadania tłoczyska dostarcza informacji o stanie pierścieni prowadzących poprzez śledzenie zmian położenia tłoczyska.
Metody
Ogólnie rzecz biorąc, w monitorowaniu opadania pręta rozróżnia się dwie podstawowe metody:
Pomiary za pomocą sond zbliżeniowych
W przypadku pomiarów za pomocą czujnika zbliżeniowego czujnik montuje się pionowo nad lub pod tłoczyskiem. Czujnik zbliżeniowy działa w oparciu o technologię prądów wirowych ( eddy current ), która mierzy odległość między czujnikiem a metalowym obiektem. W przypadku pomiaru opadania tłoczyska mierzy on odległość między czujnikiem a tłoczyskiem. Gdy tłoczysko porusza się względem czujnika, wykrywana jest zmiana odległości (pozycja tłoczyska). Pomiary te umożliwiają określenie pozycji tłoczyska, a następnie są wykorzystywane do analizy trendów. Trend ten służy następnie do przewidywania, kiedy opaski prowadzące zbliżają się do zużycia i wymagają wymiany.
Pomiary mechaniczne
Ogólnie rzecz biorąc, w monitorowaniu opadania tłoczyska rozróżnia się dwie metody mechaniczne. Pierwsza metoda wykorzystuje blok materiału ściernego z przestrzenią wewnątrz, w której znajduje się azot. Blok ten umieszcza się bezpośrednio pod tłoczyskiem. Gdy tłoczysko opada w wyniku zużycia pierścienia ślizgowego, blok ulega zużyciu do momentu, w którym dochodzi do wycieku azotu. Wyciek azotu spowoduje spadek ciśnienia zasilania, co doprowadzi do uruchomienia alarmu lub wyłączenia maszyny.
Druga mechaniczna metoda monitorowania opadania tłoczyska polega na zastosowaniu rolki zamontowanej pod tłoczyskiem. Gdy opaska uszczelniająca ulega zużyciu, tłoczysko opada stopniowo, aż do momentu, w którym dotyka rolki. Po zetknięciu się tłoczyska z rolką rolka zaczyna się obracać, co oznacza, że podobnie jak w przypadku drugiej metody mechanicznej, dochodzi do wycieku azotu. Podobnie ten wyciek azotu spowoduje spadek ciśnienia zasilania, co doprowadzi do uruchomienia alarmu lub wyłączenia maszyny.
Największą wadą mechanicznych systemów opadania tłoczyska jest brak możliwości wykonywania pomiarów i wykorzystywania ich do analizy trendów. Jedyne, co zapewniają te systemy mechaniczne, to alarm uruchamiany w momencie zużycia opasek ślizgowych. Nie ma informacji o stopniu zużycia opaski ślizgowej. Czujnik zbliżeniowy mierzy rzeczywisty spadek tłoczyska, a tym samym stopień zużycia opaski ślizgowej. Na podstawie pomiarów czujnika zbliżeniowego można stworzyć wykres trendów, co pozwala na lepsze planowanie konserwacji (CBM).
Założenia
Aby uzyskać wiarygodny pomiar opadania tłoczyska, należy spełnić pewne założenia. Podstawowym założeniem monitorowania opadania tłoczyska jest to, że tłok opiera się o dno cylindra pod wpływem siły grawitacji. Można zatem założyć, że zmiana położenia tłoczyska jest proporcjonalna do zmiany położenia tłoka spowodowanej zużyciem pierścienia prowadzącego. Należy również założyć, że jedyną przyczyną zmiany położenia tłoczyska jest wpływ zużytego pierścienia prowadzącego.
Założenie, że zmiana położenia tłoczyska jest proporcjonalna do zmiany położenia tłoka, wynika z zasady podobnych trójkątów. Zasada ta została schematycznie przedstawiona na poniższym rysunku.
Gdy do monitorowania opadania tłoczyska stosuje się czujnik zbliżeniowy, pomiar można skorygować za pomocą określonego współczynnika korekcyjnego. Współczynnik ten opiera się na stosunku wynikającym z różnicy między zmierzonym opadaniem tłoczyska (B1) a rzeczywistym opadaniem tłoka (B2). Po zastosowaniu tego współczynnika korekcyjnego do pomiaru opadania tłoczyska ujawni się rzeczywiste zużycie opaski prowadzącej. Jednak zastosowanie takiego współczynnika korekcyjnego może powodować problemy. W przypadku wystąpienia błędu pomiarowego ta nieprawidłowa wartość pomiarowa zostanie skorygowana za pomocą współczynnika korekcyjnego, co spowoduje błędny obraz rzeczywistego zużycia pierścienia prowadzącego. Dlatego bardzo ważne jest, aby pomiary były wiarygodne. Poniżej omówiono kolejno szereg czynników wpływających na wiarygodność pomiarów opadania tłoczyska.
Instalacja i zastosowanie; kwestie wymagające uwagi
Instalacja czujnika ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wiarygodnych pomiarów. Wymieniliśmy 5 najważniejszych kwestii, na które należy zwrócić uwagę:
Kluczowe znaczenie ma zamontowanie czujnika jak najbliżej cylindra. Dotyczy to zarówno czujników zbliżeniowych, jak i czujników mechanicznych. Minimalizuje to efekt występujący podczas stosowania wspomnianego wyżej współczynnika korekcyjnego do błędu pomiarowego. Im bliżej tłoka zamontowany jest czujnik, tym mniejszy wpływ będą miały błędy pomiarowe.
W przypadku większych tłoków rozszerzalność cieplna w okresie między wyłączeniem na zimno a aktywnym procesem może się znacznie różnić. Dlatego zaleca się ustawienie cylindra nisko na poprzeczce, tak aby zapewnić miejsce na rozszerzalność cieplną. Gdy tylko tłok rozszerzy się promieniowo pod wpływem ciepła, tłoczysko zostanie uniesione względem czujnika opadania tłoczyska. Należy to uwzględnić podczas montażu i określania położenia systemu wykrywania opadania tłoczyska.
Założenie, że tłok opiera się o dno cylindra pod wpływem grawitacji, nie jest realistyczne w przypadku tłoków o małej średnicy. W przypadku tłoków o małej średnicy (poniżej 150 mm) znaczna część tłoczyska znajduje się w korpusie cylindra. Niewłaściwe ustawienie lub oddziaływania na korpus cylindra mogą prowadzić do „pływającego tłoka”. Siły promieniowe nie powodują opadania tłoka, ale kombinacja sił popycha tłok w górę lub w bok. W takiej sytuacji można rozważyć zastosowanie dwóch czujników zbliżeniowych, z których jeden mierzy w płaszczyźnie poziomej, a drugi w pionowej (czujniki X-Y).
Na pomiar może również wpływać długość tłoczyska. Im dłuższe jest tłoczysko, tym większe jest prawdopodobieństwo, że będzie ono w pewnym stopniu elastyczne. Dotyczy to zwłaszcza tłoków o dużej średnicy. Elastyczność tłoczyska może wpływać na pomiar opadania tłoczyska. Aby zmniejszyć wpływ ugięcia tłoczyska na pomiar opadania tłoczyska, sygnał czujnika zbliżeniowego można mierzyć w stałym punkcie podczas obrotu wału korbowego. Jest to tzw. wyzwalanie fazowe; ustala się punkt odniesienia fazowego, na podstawie którego uruchamiany jest pomiar.
Ważne jest, aby czujnik był zamontowany w taki sposób, aby nie był narażony na rozszerzalność cieplną ani drgania. Jeśli czujnik porusza się względem tłoczyska, pomiar staje się niewiarygodny. Ponadto w przypadku tłoków o dużej średnicy ważne jest umieszczenie czujnika o większym zasięgu. W przypadku rozszerzalności cieplnej tłoczysko nie wysunie się poza zasięg czujnika zbliżeniowego.
Moduł wyzwalany opadaniem pręta – RecipSys 200
Dwukanałowy moduł wyzwalany opadaniem pręta (RecipSys 200) został opracowany przez firmę Istec International i nadaje się do monitorowania stanu pierścieni tłokowych w maszynach tłokowych. Termin „wyzwalany” oznacza, że pomiar opadania pręta odbywa się w stałym punkcie podczas obrotu wału korbowego. Dzięki temu z czasem można wyznaczyć wiarygodną tendencję. Wiele istniejących systemów pomiaru opadania pręta stanowi część większego systemu, który jest przeznaczony do dużych zastosowań, a zatem wymaga kosztownych inwestycji. Natomiast RecipSys 200 jest bardzo ekonomiczny i dzięki temu nadaje się do zastosowań małych, średnich i dużych.
